【導(dǎo)讀】通過增加屏蔽電極，高達(dá)1000V的小芯片尺寸封裝大電容MLCC可以抵抗電弧放電，從而大大提高電動(dòng)汽車和可再生能源發(fā)電等應(yīng)用中高壓電路的可靠性。
通過增加屏蔽電極，高達(dá)1000V的小芯片尺寸封裝大電容MLCC可以抵抗電弧放電，從而大大提高電動(dòng)汽車和可再生能源發(fā)電等應(yīng)用中高壓電路的可靠性。基美電子的ArcShield表貼MLCC具有屏蔽電極專利設(shè)計(jì)，可以克服傳統(tǒng)電弧放電防治措施（例如級聯(lián)電極或保形涂層）的缺點(diǎn)，從而無需保護(hù)涂層即可獲得永久保護(hù)。相對于更大尺寸的傳統(tǒng)MLCC或通孔陶瓷和薄膜電容器，它們還為設(shè)計(jì)工程師提供了可節(jié)省空間的替代方案。
創(chuàng)新的電弧放電預(yù)防方法可實(shí)現(xiàn)小尺寸高電壓表貼MLCC，從而為電動(dòng)汽車或可再生能源發(fā)電中的新興應(yīng)用提供高性價(jià)比且節(jié)省空間的解決方案。
高壓應(yīng)用設(shè)法節(jié)省空間
在風(fēng)力/太陽能逆變器或電動(dòng)汽車（EV）動(dòng)力系統(tǒng)等對節(jié)能要求很高的應(yīng)用中，以高壓方式配電有助于降低I2R損耗。例如，在EV應(yīng)用中，為逆變器供電的直流鏈路可能是3-400V，而對風(fēng)力或太陽能調(diào)節(jié)而言則可能更高。然而，這類高工作電壓不僅對最終用戶帶來了額外的安全挑戰(zhàn)，而且對元器件——即使是那些在外殼上印有合適額定電壓的元器件——也是如此。讓我們看下多層陶瓷電容器（MLCC）——常見用途包括濾波、去耦或者緩沖——是如何受數(shù)百伏所加偏壓影響的。
公認(rèn)的物理定律告訴我們，高M(jìn)LCC額定電壓和小封裝尺寸是不能同時(shí)并存的：增加額定電壓需要在極板之間加厚介電層，這反過來又會(huì)增加器件的尺寸。即便如此，業(yè)界對小型和輕型電源設(shè)備的需求，要求在越來越小的芯片尺寸輪廓內(nèi)實(shí)現(xiàn)高電容和高額定電壓。EV逆變器或風(fēng)力/太陽能微型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)人員，通常會(huì)試圖采用0603和0805外殼尺寸的X7R型MLCC等電容器，其額定電壓為500V、630V或1000VDC。
防止電弧放電損壞和破壞
元器件制造商可以通過使用更好的電容器材料和構(gòu)造技術(shù)來滿足這些需求。然而，如圖1所示，在實(shí)踐中，爬電（電場在電介質(zhì)表面上的自然擴(kuò)散）以及強(qiáng)電場可能引起周圍空氣發(fā)生電離等因素，會(huì)威脅到高壓工作元器件的安全性。當(dāng)發(fā)生電離時(shí)，如果所加偏壓超過電離空氣的起始電壓，則不同電位的器件端子或電極之間會(huì)形成導(dǎo)電通路，從而導(dǎo)致電暈放電或電弧放電。
圖1.電離為端子與端子或端子與電極之間拉弧放電創(chuàng)造條件。
電弧放電發(fā)生的起始電壓受多種因素的影響，例如大氣溫度和壓力、濕度和端子爬電距離等。反過來，爬電距離又受器件表面是否有污染物影響，例如導(dǎo)電灰塵顆粒或積聚的水分。具有高介電常數(shù)的陶瓷材料（例如X7R材料），其孔隙率（即材料表面存在的空隙）會(huì)比其他電介質(zhì)（例如C0G）更高。這些空隙往往含有水分和灰塵，從而使元器件更容易發(fā)生電弧放電。
端子之間發(fā)生電弧放電可以持續(xù)，但如果在器件表面反復(fù)發(fā)生電暈放電，則隨著時(shí)間的推移，會(huì)產(chǎn)生碳化軌道，從而建立導(dǎo)電通路。隨著放電繼續(xù)發(fā)生，這最終會(huì)導(dǎo)致短路故障。
更直接的問題是，如圖2所示，在器件的外部部件和位于相反電位的第一個(gè)內(nèi)部對電極之間有可能發(fā)生放電。這通常會(huì)引起快速介電擊穿，從而導(dǎo)致短路故障，并經(jīng)常伴有急劇的電容器破壞。
圖2.端子與第一個(gè)對電極之間產(chǎn)生電弧放電，通常會(huì)引起電容器快速失效。
從歷史上看，電容器制造商和材料專家們已經(jīng)開發(fā)出各種技術(shù)，用來減輕引起電離和電暈放電的原因。其中之一是用高絕緣聚合物或玻璃狀涂層涂覆MLCC，形成光滑無孔的表面，從而使污染物或水分積聚發(fā)生的可能性最小。盡管事實(shí)證明這種技術(shù)有效，但也存在若干缺點(diǎn)，包括材料的成本和運(yùn)用它的額外工藝開銷。此外，如果器件主體沒有完全封裝，或者有涂層受損，則涂層的有效性會(huì)受到影響。
此外，如果采用的是預(yù)涂器件，則電路板設(shè)計(jì)人員必須確保涂層材料與PCB組件中所用其他材料兼容。另一方面，如果是在組裝后涂覆涂層，則必須注意確保沒有空隙或間隙，例如在器件下面的區(qū)域。這些情況會(huì)損害涂層的完整性并有可能產(chǎn)生與未涂覆器件相同的電弧放電。
浮動(dòng)電極
或者，可以通過調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使電容器承受高施加電場的能力增加。
一個(gè)例子是級聯(lián)內(nèi)部電極設(shè)計(jì)。這種方法又稱為浮動(dòng)電極或串聯(lián)電容器技術(shù)，它可以以與串聯(lián)連接多個(gè)電容器相同的方式提高額定電壓，并有效增加爬電距離，從而降低在施加高電場強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生電弧的可能性。如圖所示，浮動(dòng)電極設(shè)計(jì)還可通過防止任何一對相對電極之間有裂縫穿過，發(fā)生短路，來有效減輕撓裂。與撓曲相關(guān)的裂縫可能僅會(huì)引起電容損失或安全的開路故障。一個(gè)缺點(diǎn)是，就像串聯(lián)連接分立電容器一樣，串聯(lián)電容器方法會(huì)降低有效電容。
內(nèi)部屏蔽
最近的一項(xiàng)發(fā)展是在器件內(nèi)部添加一個(gè)屏蔽電極，它與最近的端子處于相同的電位，并向相對的端子延伸，如圖3所示。可以把它想象成像法拉第籠一樣，并且它與串聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)相比，可以實(shí)現(xiàn)更傳統(tǒng)的電極布局。因此，對于給定的額定電壓和器件尺寸，電容可以更高。此外，屏蔽電極與柔性端子兼容，可以防止發(fā)生應(yīng)力開裂。
圖3.屏蔽電極可降低電容器表面和第一個(gè)對電極區(qū)域的場強(qiáng)。
當(dāng)端子兩端加有高壓偏壓并且超過電容器周圍電離空氣的初始電壓時(shí)，采用該屏蔽電極可防止電暈放電引起端子和第一個(gè)對電極之間發(fā)生電介質(zhì)擊穿，從而防止出現(xiàn)前面圖2中所述的快速短路故障模式。
因?yàn)槠帘坞姌O與最近的端子所處的電位相同，所以電場集中局限在屏蔽電極而不是端子表面和相應(yīng)的第一個(gè)對電極位置。這可以最大限度地減少沿芯片表面的電位差，并增加爬電距離能力。 因此，即使是小尺寸器件或采用高孔隙率電介質(zhì)制造的器件（如X7R），也可以從增強(qiáng)的電弧放電抗擾性中受益，而使相關(guān)損壞或器件故障的可能性降低。
基美電子已對該技術(shù)申請專利，以便創(chuàng)建ArcShield?系列抗電弧MLCC，而以小型EIA標(biāo)準(zhǔn)外殼尺寸提供高電壓和大電容。尺寸從0603到1812的商用或AEC-Q200汽車級ArcShield電容器現(xiàn)已供貨，電容值在500VDC額定值時(shí)高達(dá)0.33μF，在630VDC時(shí)為0.15μF，在1000VDC時(shí)為0.10μF。
總結(jié)
通過增加屏蔽電極，高達(dá)1000V的小芯片尺寸封裝大電容MLCC可以抵抗電弧放電，從而大大提高電動(dòng)汽車和可再生能源發(fā)電等應(yīng)用中高壓電路的可靠性。基美電子的ArcShield表貼MLCC具有屏蔽電極專利設(shè)計(jì)，可以克服傳統(tǒng)電弧放電防治措施（例如級聯(lián)電極或保形涂層）的缺點(diǎn)，從而無需保護(hù)涂層即可獲得永久保護(hù)。相對于更大尺寸的傳統(tǒng)MLCC或通孔陶瓷和薄膜電容器，它們還為設(shè)計(jì)工程師提供了可節(jié)省空間的替代方案。
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